煤層瓦斯含量測(cè)定深孔快速取樣技術(shù)研究

嚴(yán)明慶

1中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400037

2瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400037

煤 層的瓦斯含量是瓦斯安全治理和煤層氣開發(fā)利用的關(guān)鍵基礎(chǔ)性參數(shù)[1]。準(zhǔn)確、快速地測(cè)量瓦斯含量，對(duì)瓦斯治理、瓦斯氣體開發(fā)利用都有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。采用傳統(tǒng)的鉆孔取樣，取樣時(shí)間較長(zhǎng)，勢(shì)必造成瓦斯一定程度的解析遺失，從而導(dǎo)致無法準(zhǔn)確測(cè)量煤層瓦斯含量。

由于傳統(tǒng)的瓦斯含量測(cè)定取樣裝置存在取樣深度不能滿足全覆蓋、取樣測(cè)定時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，從而導(dǎo)致瓦斯含量測(cè)定不夠準(zhǔn)確，難以滿足煤礦安全生產(chǎn)的需求。

反循環(huán)鉆探技術(shù)的研究始于 20 世紀(jì) 40 年代[2]。隨著學(xué)者研究的深入，該技術(shù)已經(jīng)取得了重大突破[3]。澳大利亞學(xué)者與袁亮院士等人成功地將反循環(huán)取樣技術(shù)應(yīng)用于顧橋等煤礦的煤層取樣，深度為 65 m，但未能實(shí)現(xiàn)更大孔深的定點(diǎn)取樣[4]；康建寧等人提出的雙臂反循環(huán)取樣技術(shù)成功在淮南礦區(qū)、貴州水城礦區(qū)等區(qū)域進(jìn)行了成功應(yīng)用，取樣深度達(dá)到了 120 m[5]。

雖然雙臂反循環(huán)取樣技術(shù)在煤礦上的技術(shù)應(yīng)用取得了重大突破[6-8]，但是該取樣裝置的鉆孔為開放狀態(tài)，由于未封堵孔口，因此形成穩(wěn)定的反循環(huán)狀態(tài)所需的時(shí)間較長(zhǎng)。筆者針對(duì)此情況進(jìn)行了深孔快速取樣技術(shù)的研究。

1 深孔快速取樣技術(shù)

1.1 快速取樣裝置

快速取樣裝置如圖 1 所示，主要由取樣鉆頭、雙壁鉆桿、取樣鳳尾、閥門 1、閥門 2 和閥門 3 等部件組成。鉆桿正常鉆進(jìn)時(shí)，有壓風(fēng)流經(jīng)雙壁鉆桿內(nèi)管通道和環(huán)形通道流入，并將鉆頭底部切削的煤渣屑經(jīng)鉆桿通道和孔壁間隙輸送至孔外；取樣狀態(tài)時(shí)，有壓風(fēng)流經(jīng)雙通道取樣鳳尾的側(cè)面進(jìn)風(fēng)通道流入雙壁鉆桿的環(huán)形通道，到達(dá)鉆頭頭部后分成兩路，一路經(jīng)噴射器返回，形成負(fù)壓導(dǎo)流作用，另一路經(jīng)取樣孔將煤渣屑攜帶進(jìn)入雙壁鉆桿內(nèi)部通道中。

圖1 快速取樣裝置Fig.1 Deep-hole sampling device

1.2 取樣鉆頭

取樣鉆頭主要由環(huán)形多噴嘴引射器和外部基體 2部分構(gòu)成，如圖 2 所示。引射器在結(jié)構(gòu)上嵌入到鉆頭基體上，與鉆頭外殼采用環(huán)套形式相結(jié)合，兩者之間構(gòu)成一個(gè)環(huán)形內(nèi)部空間。有壓風(fēng)流通過內(nèi)部環(huán)形空間進(jìn)入鉆桿，風(fēng)流的一部分經(jīng)過引射器形成負(fù)壓，另一部分高速流經(jīng)外噴孔，從而對(duì)鉆孔進(jìn)行沖洗，同時(shí)將鉆頭冷卻。

圖2 取樣鉆頭結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural sketch of sampling bit

引射器是快速取樣裝置的核心部件，其作用是形成孔底的引射負(fù)壓，引射器具有多個(gè)環(huán)形噴嘴，其結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

正常鉆進(jìn)時(shí)，閥門 1 和閥門 2 開啟，閥門 3 關(guān)閉，鉆桿的環(huán)形空間和中心通管同時(shí)進(jìn)風(fēng)，鉆屑通過環(huán)隙排出；而在取樣鉆進(jìn)時(shí)，閥門 1 和閥門 3 開啟，閥門 2 關(guān)閉，有壓風(fēng)流通過鉆桿內(nèi)部的環(huán)形空間進(jìn)入鉆桿引射器，此時(shí)大部分鉆屑通過鉆桿中心通管輸出，小部分鉆屑從鉆孔壁與鉆桿間的環(huán)隙空間輸出，從而在完成取樣的同時(shí)，又實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆孔正常沖洗和排渣的功能。

1.3 鉆頭設(shè)計(jì)

鉆頭基體在結(jié)構(gòu)上能夠滿足正常的鉆進(jìn)，在其內(nèi)部嵌入了環(huán)形多噴嘴引射器，且引射入口設(shè)置于鉆頭的正前方，方便煤渣鉆屑順利吸入引射器，進(jìn)而進(jìn)入鉆桿輸送至取樣口。因此，鉆頭基體是切割煤體、連接鉆桿和取樣輸送的關(guān)鍵部件。

在煤質(zhì)較硬的松軟煤層中，采用肋骨螺旋雙壁取樣鉆桿有較好的煤渣輸送效果，但是當(dāng)煤質(zhì)較軟或鉆孔變形時(shí)，由于鉆孔內(nèi)壁與肋骨葉片之間的刮擦作用，較易誘發(fā)鉆孔垮塌。相比較而言，三棱雙壁鉆桿可以較好地解決鉆桿對(duì)鉆孔的刮擦擾動(dòng)問題，在松軟煤層鉆進(jìn)過程中具有很好的煤渣輸送效果，而且其螺旋槽能夠有效地避免鉆桿卡滯、埋鉆等現(xiàn)象。

2 數(shù)值模擬

以輸送速度、輸送空氣量為基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)合數(shù)值模擬，分析計(jì)算了不同外徑的鉆桿內(nèi)外空間過流面積的輸送能力，確定了鉆桿的技術(shù)參數(shù)，分別設(shè)計(jì)了φ50、φ63、φ73 mm 3 種直徑的取樣鉆桿。

2.1 多噴嘴引射器

利用 Design modeler 建立不同安裝角度的多噴嘴引射器的計(jì)算模型。對(duì)直徑 2 mm 單噴嘴引射器不同的噴嘴安裝角β(10°、15°、20°、25°、30°) 的風(fēng)流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果如圖 4 所示。

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果：在相同的流量和噴嘴直徑的條件下，噴嘴角度為 15°時(shí)，孔底引射器的流量比和壓強(qiáng)比最大，引射器效率最高。流量比、壓強(qiáng)比、引射器效率的計(jì)算結(jié)果如表 1 所列。

表1 噴嘴不同安裝角度的模擬數(shù)據(jù)匯總Tab.1 Summarization of simulation data at various installation angle of nozzle

采用相同的模擬計(jì)算方法，建立不同引射器噴嘴參數(shù) (數(shù)量、直徑和安裝角度) 和不同引射器喉部參數(shù)(直徑、長(zhǎng)度) 的物理模型。采用正交法研究不同組合條件下六噴嘴引射器的性能參數(shù)，獲得了六噴嘴引射器的設(shè)計(jì)參數(shù)，多級(jí)引射器中心壓強(qiáng)的變化規(guī)律如圖5 所示。

由圖 5 可知，單級(jí)六噴嘴引射器的最大極限負(fù)壓值為 -3 600 Pa，雙級(jí)六噴嘴引射器串聯(lián)的最大極限負(fù)壓值為 -7 913 Pa，六噴嘴與八噴嘴引射器串聯(lián)的最大極限負(fù)壓值為 -11 164 Pa。由此可見，六噴嘴與八噴嘴引射器串聯(lián)的負(fù)壓絕對(duì)值最大。

圖5 多級(jí)引射器中心壓強(qiáng)的變化規(guī)律Fig.5 Variation laws of pressure at center of multi-stage jet

2.2 出風(fēng)口風(fēng)流模擬

利用 Fluent 計(jì)算軟件，對(duì)多種傾角、前中后部噴嘴的出風(fēng)口風(fēng)流流場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算。出風(fēng)口風(fēng)流流場(chǎng)簡(jiǎn)化模型如圖 6 所示。

圖6 出風(fēng)口風(fēng)流流場(chǎng)簡(jiǎn)化模型Fig.6 Simplified model of air flow field at outlet

不同傾角的噴嘴對(duì)鉆頭中心風(fēng)流速度的影響如圖7 所示。出風(fēng)口風(fēng)流流量、流速受噴嘴傾角的影響曲線如圖 8 所示。

圖7 不同傾角的噴嘴對(duì)鉆頭中心風(fēng)流速度的影響Fig.7 Influence of inclination angle of nozzle on air velocity at bit center

圖8 出風(fēng)口風(fēng)流流量、流速受噴嘴傾角的影響曲線Fig.8 Variation curve of air flow and speed at outlet with inclination angle of nozzle

由圖 7 可知，當(dāng)噴嘴安裝傾角范圍為 0°～ 15°時(shí)，對(duì)于風(fēng)流攜帶鉆屑的反循環(huán)狀態(tài)十分有利；在10°時(shí)，風(fēng)流的能量能夠得到更加合理的利用與分配。由圖 8 可知，理想狀態(tài)下期望通過出風(fēng)口 2 輸送出更多煤渣鉆屑，即通過出風(fēng)口 2 的風(fēng)流流量應(yīng)稍大于出風(fēng)口 1 的風(fēng)流流量，因此噴嘴的傾角應(yīng)大于10°。綜上所述，較為合適的噴嘴安裝傾角范圍應(yīng)為10°～ 15°。

噴嘴對(duì)孔底風(fēng)流速度和風(fēng)流流場(chǎng)的影響如圖 9 所示。出風(fēng)口氣流參數(shù)如表 2 所列。由表 2 可以看出，在噴嘴傾角相同的條件下，前后移動(dòng)噴嘴位置，對(duì)出風(fēng)口風(fēng)量的分配基本無影響，出風(fēng)口速度能夠滿足鉆屑輸送速度；但噴嘴前移時(shí)，孔底空間渦流區(qū)域有增大趨勢(shì)，不利于孔底鉆屑進(jìn)入中心管空間形成有效反循環(huán)，噴嘴后移時(shí)則不會(huì)出現(xiàn)此種情況。噴嘴在鉆頭體中部比前移或后移能夠更好地實(shí)現(xiàn)孔底鉆屑的反循環(huán)輸送。

圖9 噴嘴對(duì)孔底風(fēng)流速度和風(fēng)流流場(chǎng)的影響Fig.9 Influence of nozzle on air speed and flow field at hole bottle

3 實(shí)際應(yīng)用

快速取樣裝置經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，其最大取樣深度為125 m，取樣速度 ≥ 500 g/min，采樣樣品運(yùn)移速度高達(dá) 15 m/s，取樣時(shí)間控制在 4 min 之內(nèi)。在正常的鉆進(jìn)過程中，2 個(gè)通道均具有進(jìn)風(fēng)通道功能。在取樣模式下，一個(gè)通道具有進(jìn)風(fēng)通道的功能，另一個(gè)通道具有輸出樣品的功能。

為了驗(yàn)證快速取樣裝置的適用性，分別在重慶松藻礦區(qū)、安徽淮南礦區(qū)、河南焦作礦區(qū)、貴州水城礦區(qū)等區(qū)域典型礦山，對(duì)深孔定點(diǎn)快速取樣裝置進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，累計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)鉆孔 200 余個(gè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在煤層賦存條件較好的試驗(yàn)地點(diǎn)，如淮南礦區(qū)的顧橋煤礦、潘一東煤礦和貴州水城大灣煤礦，最大取樣深度達(dá)到 120 m?？焖俣c(diǎn)取樣裝置操作便捷，取樣質(zhì)量均超過了 1 kg，取樣時(shí)間在 4 min 之內(nèi)，粒度大于 3 mm 的煤樣占 60% 以上。

對(duì)快速取樣裝置引射取樣進(jìn)行了煤層瓦斯含量的測(cè)定，將其結(jié)果與同一位置采用孔口取樣方式進(jìn)行對(duì)比，如圖 10 所示。由圖 10 可以看出，引射取樣所測(cè)得的瓦斯含量值普遍大于孔口取樣所測(cè)瓦斯含量值，且接近煤層瓦斯含量的真實(shí)值。

圖10 2 種取樣方式瓦斯含量測(cè)定Fig.10 Gas content determination by two kinds of sampling method

快速取樣裝置在大灣煤礦對(duì)西井 X11101 工作面進(jìn)行了深孔取樣試驗(yàn)。該工作面存在斷層較多、煤層傾角變化大、賦存不穩(wěn)定及鉆孔易見巖等問題，這些因素極大地限制了取樣裝置的鉆孔深度。在該工作面進(jìn)行了 21 次鉆孔取樣，其中 11 次鉆孔的深度小于 40 m，即出現(xiàn)見巖情況，未進(jìn)行取樣；對(duì)另外的 10 個(gè)鉆孔進(jìn)行了取樣。取樣試驗(yàn)結(jié)果如表 3 所列。鉆孔的傾角為 4°～ 6°，取樣深度為 48～123 m，取樣時(shí)間為1.5～4.0 min，取樣質(zhì)量為 1.4～2.2 kg，取樣粒度大于3 mm 的占比超過 65%。該取樣裝置能夠滿足礦方的實(shí)際取樣需求。

4 結(jié)語

(1) 根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算，當(dāng)引射器環(huán)形噴嘴直徑為 2 mm 時(shí)，六噴嘴與八噴嘴環(huán)形引射器串聯(lián)產(chǎn)生的最大負(fù)壓達(dá)到 -11 164 Pa，能夠順利形成反循環(huán)，取樣質(zhì)量和取樣時(shí)間均滿足實(shí)際取樣要求。

表3 快速取樣裝置在大灣煤礦的取樣試驗(yàn)Tab.3 Sampling test with fast sampling device in Dawan Colliery

(2) 試驗(yàn)結(jié)果表明，該深孔取樣裝置的取樣時(shí)間不超過 4 min，取樣深度超過 120 m，取樣質(zhì)量高達(dá) 1 kg，滿足取樣規(guī)范規(guī)定的取樣粒度、時(shí)間和質(zhì)量的技術(shù)要求。

(3) 取樣裝置的適應(yīng)能力很強(qiáng)，能夠在硬煤或低應(yīng)力環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)可靠穩(wěn)定的煤層取樣工作，取樣成功率得到大幅提高。